【专利简介】涡旋流体机械

发明内容
[0016]  本发明的涡旋流体机械具备密封容器、第一固定涡盘、摆动涡盘、第二固定涡盘、主轴，所述第一固定涡盘以划分上部空间的方式配设在上述密封容器内，在第一台板的下面形成有第一螺旋状齿以及第一螺旋状槽，所述摆动涡盘构成为在第三台板的两面形成上螺旋状齿以及上螺旋状槽和下螺旋状齿以及下螺旋状槽，以该上螺旋状齿与上述第一螺旋状齿啮合的方式与上述第一固定涡盘的下面侧相对地配设，所述第二固定涡盘构成为在第二台板的上面形成第二螺旋状齿以及第二螺旋状槽，以该第二螺旋状齿与上述下螺旋状齿啮合的方式与上述摆动涡盘的下面侧相对地配设，在上述密封容器内划分下部空间，所述主轴由上述第一固定涡盘的第一轴承部和上述第二固定涡盘的第二轴承部轴支承，且贯通上述摆动涡盘的突起部地配设，使该摆动涡盘进行摆动运动，上述摆动涡盘相对于上述第一以及第二固定涡盘进行摆动运动，在上述摆动涡盘的上面侧以及下面侧分别使动作流体压缩或膨胀。然后，用于使上述动作流体出入的端口以在上述第一螺旋状齿以及上述第二螺旋状齿的各自的卷绕开始端部附近和从上述第一螺旋状齿以及上述第二螺旋状齿的各自的卷绕开始端部离开渐开角大致90度的位置的该第一螺旋状齿以及该第二螺旋状齿的各自的内向面侧开口的方式，被设置在上述第一台板以及上述第二台板上。
[0017]  发明效果
[0018]  根据本发明，用于使动作流体出入的端口以在第一螺旋状齿以及第二螺旋状齿的各自的卷绕开始端部附近和从第一螺旋状齿以及第二螺旋状齿的各自的卷绕开始端部离开渐开角大致90度的位置的第一螺旋状齿以及该第二螺旋状齿的各自的内向面侧开口的式，被设置在第一台板以及第二台板上。因此，因为用于使动作流体出入的端口被设置在第一螺旋状齿以及第二螺旋状齿的各自的卷绕开始端部侧的两个部位，所以，不会使第一螺旋状齿以及第二螺旋状齿的卷绕开始部过度向渐开曲线的伸开方向移动，另外，不会像在对称位置配置了两个端口时那样，因切掉突起部而导致死容积的增大，能够确保足够的端口开口面积。另外，即使在摆动涡盘摆动时，一方的端口与摆动涡盘的突起部干涉，开口的一部分阻塞，另一方的端口也不会与突起部干涉，摆动涡盘旋转一圈中的端口的总开口面积的变动变小。其结果为，因产生明显的压力损失而造成的效率降低以及断续的膨胀过程的产生得到抑制，能够实现高效率以及高可靠性。
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附图说明
[0019]  图1是表示基于本发明的实施方式1的涡旋流体机械的结构的纵剖视图。
[0020]  图2是搭载了基于本发明的一个实施方式的涡旋流体机械的冷冻循环的回路图。
[0021]  图3是说明图2所示的冷冻循环的动作的莫里尔图。
[0022]  图4是表示在基于本发明的一个实施方式的涡旋流体机械所应用的副压缩机构中的螺旋状齿及其配置状态的概略图。
[0023]  图5是表示在基于本发明的一个实施方式的涡旋流体机械所应用的膨胀机构中的螺旋状齿及其配置状态的概略图。
[0024]  图6是说明基于本发明的一个实施方式的涡旋流体机械的副压缩机构中的摆动涡盘的摆动运动所造成的端口封闭状况的图。
[0025]  图7是说明基于本发明的一个实施方式的涡旋流体机械的膨胀机构中的摆动涡盘的摆动运动所造成的端口封闭状况的图。
[0026]  图8是表示基于本发明的一个实施方式的涡旋流体机械的膨胀机构中的吸入端口的总开口面积的变动的图。具体实施方式
[0027]  图1是表示基于本发明的一个实施方式的涡旋流体机械的结构的纵剖视图。这里，在图中，标注相同符号的物体是相同或与之相当的物体，这点在说明书全文中共通。再有，说明书全文中记载的构成要素的形态仅仅是示例，并不限定于这些记载。另外，基于本实施方式的涡旋流体机械假想使用二氧化碳那样的高压侧为超临界的制冷剂(动作流体)，膨胀机构部进行冷冻循环内的膨胀过程，副压缩机构部作为以从膨胀过程的制冷剂回收的机械能为动力，进行冷冻循环内的压缩过程的一部分的压缩机一体型膨胀机使用。
[0028]  图1中，在涡旋膨胀机1的密封容器4内的下方设置膨胀机构2，在膨胀机构2的上方设置副压缩机构3。膨胀机构2由在第二台板51a的上面形成了第二螺旋状齿51c的第二固定涡盘51和在第三台板53a的下面形成了下螺旋状齿53c的摆动涡盘53构成。第二固定涡盘51的第二螺旋状齿51c和摆动涡盘53的下螺旋状齿53c在相反的卷绕方向以啮合的方式配置。另外，副压缩机构3由在第一台板52a的下面形成了第一螺旋状齿52c的第一固定涡盘52和在第三台板53a的上面形成了上螺旋状齿53d的摆动涡盘53构成。第一固定涡盘52的第一螺旋状齿52c和摆动涡盘53的上螺旋状齿53d在相反的卷绕方向以啮合的方式配置。这里，副压缩机构3的第一螺旋状齿52c和膨胀机构2的第二螺旋状齿51c、膨胀机构2的下螺旋状齿53c和副压缩机构3的上螺旋状齿53d分别在相同的卷绕方向，在摆动涡盘53摆动时，能够在一方进行压缩，在另一方进行膨胀。
[0029]  主轴78由形成在膨胀机构2的第二固定涡盘51以及副压缩机构3的第一固定涡盘52的各自的中央的轴承部51b、52b旋转自由地双臂支撑。套筒75以外嵌状态同轴嵌入主轴78的与轴承部51b对应的部分。滑块74以内嵌状态嵌入贯穿设置在摆动涡盘53的中央的摆动轴承部53b。然后，形成在主轴78的中央部的偏心轴部80被嵌入贯穿设置在滑块74上的轴嵌入孔81。据此，构成滑块74的外径中心和主轴78的轴心之间的距离能够变动，通过因滑块74作用于摆动涡盘53的气体压而产生的力，向摆动半径变大的方向移动的可变半径曲柄机构，摆动涡盘53能够进行摆动运动。
[0030]  在膨胀机构2的外周，也就是密封容器4的侧面，设置吸入制冷剂的膨胀吸入管15以及排出膨胀了的制冷剂的膨胀排出管16。另一方面，在副压缩机构3的外周，也就是密封容器4的侧面，设置吸入制冷剂的副压缩吸入管(未图示出)以及排出压缩了的制冷剂的副压缩排出管20。
[0031]  在副压缩机构3中，在第一固定涡盘52以及摆动涡盘53的各自的第一螺旋状齿52c以及上螺旋状齿53d的前端，安装着将由第一固定涡盘52的第一螺旋状齿52c和摆动涡盘53的上螺旋状齿53d形成的副压缩室3a隔开的顶密封件71。另外，在第一固定涡盘52中的与摆动涡盘53相向的面，也就是第一螺旋状齿52c的外周，设置着对摆动涡盘53和第一固定涡盘52进行密封的外周密封件73。
[0032]  另一方面，在膨胀机构2中，在摆动涡盘53的与第二固定涡盘51相向的面，也就是摆动轴承部53b的外周，设置着对摆动涡盘53和第二固定涡盘51进行密封的内周密封件72。另外，在第二固定涡盘51的第二螺旋状齿51c以及摆动涡盘53的下螺旋状齿53c的前端，安装着将由第二固定涡盘51的第二螺旋状齿51c和摆动涡盘53的下螺旋状齿53c形成的膨胀室2a隔开的顶密封件71。
[0033]  摆动涡盘53由设置在副压缩机构3侧的十字滑环77限制其自转。另外，为了抵消摆动涡盘53进行摆动运动所产生的离心力，而在主轴78的两端侧安装着上以及下平衡块79a、79b。在主轴78的下端安装油泵76，向各轴承部供给储存在密封容器4的下部空间的底部的润滑油9。
[0034]  在主轴78内主要设置向轴承部51b供油的油孔78a、向轴承部52b以及摆动轴承部53b供油的油孔78b以及放气孔78c。然后，在主轴78的与轴承部52b对应的部分的外周面设置螺旋槽(未图示出)，经油孔78b供油到轴承部52b的润滑油9通过螺旋槽向密封容器4的上部空间溢出。另外，被副压缩的制冷剂包括润滑油从后述的主压缩机5经副压缩吸入管供给，在被摆动涡盘53和第一固定涡盘52副压缩后，通过暂时向上部空间开放而将油分离，从副压缩排出管20排出。然后，从轴承部52b溢出，将油进一步分离，滞留在上部空间的下部的润滑油9经回油孔31返回下部空间。
[0035]  接着，参照图2，说明使用了这样构成的涡旋膨胀机1的冷冻循环。
[0036]  在冷冻循环中，涡旋膨胀机1的副压缩机构3配设在气体冷却器11的上游侧，膨胀机构2配设在气体冷却器11的下游侧。另外，膨胀机构2配设在蒸发器12的上游侧，在配设于蒸发器12的下游侧的主压缩机5的下游侧配设副压缩机构3。
[0037]  在这样构成的冷冻循环中，若向马达6供电，则主压缩机5被驱动，制冷剂被压缩。被压缩的制冷剂从副压缩吸入管送入副压缩机构3，在由第一固定涡盘52的第一螺旋状齿52c和摆动涡盘53的上螺旋状齿53d形成的副压缩室3a内被压缩、升压。在副压缩室3a内被压缩、升压的制冷剂从排出阀32排出，在暂时向密封容器4的上部空间开放，将油分离后，从副压缩排出管20向密封容器4外排出。从副压缩排出管20排出的制冷剂被送入气体冷却器11，并被冷却。被冷却的制冷剂从膨胀吸入管15被送入膨胀机构2，在由第二固定涡盘51的第二螺旋状齿51c和摆动涡盘53的下螺旋状齿53c形成的膨胀室2a内膨胀减压。在膨胀室2a内膨胀减压的制冷剂从膨胀排出管16排出，被送入蒸发器12，在被加热后，被送入主压缩机5。
[0038]  使用图3，对此时的冷冻循环的动作进行说明。图3是说明冷冻循环的动作的莫里尔图，纵轴代表制冷剂压力，横轴代表比焓。另外，图3表示使用像CO2那样高压侧为超临界的制冷剂的情况。
[0039]  制冷剂由主压缩机5压缩至中间压Pm(a→d’)。由主压缩机5压缩的中间压Pm的制冷剂从副压缩吸入管送入副压缩机构3的副压缩室3a内，被升压至高压Ph(d’→d)。被升压至高压Ph的制冷剂从副压缩排出管20被送入气体冷却器11，被冷却(d→c)。接着，被冷却的制冷剂从膨胀吸入管15被送入膨胀机构2的膨胀室2a内，膨胀减压至低压Pl(c→b)。此时，若被气体冷却器11冷却的制冷剂被膨胀阀那样的不回收动力的节流件减压，则从点c开始，以一定的比焓减压，直至点b’。该减压时的比焓差(＝b’-b)作为膨胀动力被回收，作为副压缩机构3的比焓差(＝d-d’)量的压缩动力被利用。制冷剂在膨胀过程中被回收了副压缩所需要的动力后，从膨胀排出管16排出，并送入蒸发器12，被加热(b→a)。被加热的制冷剂被送入主压缩机5。
[0040]  这里，因为设置了对摆动涡盘53的进行压缩做功时的运动和相位进行限制的主轴78以及十字滑环77，所以，由该膨胀机构2回收的膨胀动力加上副压缩机构3的压缩动力，提供与摆动涡盘53、主轴78、十字滑环77等的驱动相伴的滑动损失量的做功。
[0041]  副压缩机构3的副压缩室3a内为中间压Pm，副压缩机构3的副压缩室3a的外周侧为膨胀后的低压Pl。因此，设置在第一固定涡盘52中的与摆动涡盘53相向的面，也就是第一螺旋状齿52c的外周的外周密封件73对副压缩室3a的内外的差压进行密封。另外，设置在摆动涡盘53中的与第二固定涡盘51相向的面，也就是摆动轴承部53b的外周的内周密封件72对膨胀室2a和摆动轴承部53b侧的差压进行密封。
[0042]  接着，参照图4以及图5，说明副压缩机构3以及膨胀机构2的具体结构。图4是表示基于本发明的一个实施方式的涡旋流体机械所应用的副压缩机构中的螺旋状齿及其配置状态的概略图，图5是表示基于本发明的一个实施方式的涡旋流体机械所应用的膨胀机构中的螺旋状齿及其配置状态的概略图。另外，图4以及图5表示相对于固定涡盘，摆动涡盘的摆动半径为零的状态。另外，图4以及图5将固定涡盘以及摆动涡盘各自的螺旋状齿的齿尖形状，以单方为镜像重合作为俯视图来表示。这点在图6以及图7中也同样。
[0043]  图4中，在第一固定涡盘52的第一台板52a的下面，在外周密封件73的内周侧，渐开曲线状、螺旋状地形成第一螺旋状齿52c以及第一螺旋状槽52d。在摆动涡盘53的第三台板53a的上面，从围绕轴承部53b的突起部，所谓的球根形状部53g开始，螺旋状地形成上螺旋状齿53d以及上螺旋状槽53f。然后，第一固定涡盘52和摆动涡盘53以第一螺旋状齿52c以及上螺旋状齿53d被收容在上螺旋状槽53f以及第一螺旋状槽52d内的方式组合。即，第一螺旋状齿52c和上螺旋状齿53d在将一方作为镜像来看的情况下，为相同形状，错开180度相位。然后，顶密封件71被安装在槽上，该槽形成在第一螺旋状齿52c以及上螺旋状齿53d的从卷绕开始到1.5匝的齿尖上。
[0044]  排出端口40b以在第一螺旋状齿52c的卷入开始端部附近的第一螺旋状槽52d的底面开口的方式贯穿设置在第一台板52a上。另外排出端口40a在从第一螺旋状齿52c的卷绕开始端部提前大致90度渐开角的位置，且以在第一螺旋状齿52c的内向面侧的第一螺旋状槽52d的底面开口的方式贯穿设置在第一台板52a上。然后，如图1所示，排出端口40a、40b经排出阀32与密封容器4的上部空间相连。再有，吸入端口39以在第一螺旋状槽52d的卷绕结束端部附近的底面开口的方式贯穿设置在第一台板52a上。然后，吸入端口39与副压缩吸入管连结。排出端口40a呈沿着第一螺旋状齿52c的内向面侧周壁面的
直线状的长圆形的开口形状，排出端口40b呈大致圆形的开口形状。另外，直线状的长圆形是指由半圆连结一对平行的直线的两端，以与直线平行的方向为长轴的外形形状。
[0045]  图5中，在摆动涡盘53的第三台板53a的下面，以轴承部53b在贯通的球根形状部53g围绕轴承部53b的方式配设着内周密封件72。再有，在第三台板53a的下面，下螺旋状齿53c以及下螺旋状槽53e从球根形状部53g开始，渐开曲线状地、螺旋状地形成。在第二固定涡盘51的第二台板51a的上面，第二螺旋状齿51c以及第二螺旋状槽51d渐开曲线状地、螺旋状地形成。然后，第二固定涡盘51和摆动涡盘53以将第二螺旋状齿51c以及下螺旋状齿53c收容在下螺旋状槽53e以及第二螺旋状槽51d内的方式组合。即，第二螺旋状齿51c和下螺旋状齿53c在将一方作为镜像来看的情况下，为相同形状，错开180度相位。然后，顶密封件71被安装在槽上，该槽形成在第二螺旋状齿51c以及下螺旋状齿53c的从卷绕开始到1.5匝的齿尖。
[0046]  吸入端口35b以在第二螺旋状齿51c的卷绕开始端部附近的第二螺旋状槽51d的底面开口的方式贯穿设置在第二台板51a上。另外，吸入端口35a在从第二螺旋状齿51c的卷绕开始端部提前大致90度渐开角的位置，且以在第二螺旋状齿51c的内向面侧的第二螺旋状槽51d的底面开口的方式贯穿设置在第二台板51a上。然后，如图1所示，吸入端口35a、35b经导通路分别与膨胀吸入管15连结。吸入端口35a呈沿着第二螺旋状齿51c的内向面侧周壁面的直线状的长圆形的开口形状，吸入端口35b呈大致圆形的开口形状。
[0047]  这样，因为吸入端口35a、35b以及排出端口40a、40b以在第二螺旋状槽51d以及第一螺旋状槽52d的底面开口的方式形成，所以，吸入端口35a、35b以及排出端口40a、40b能够确保了充分的开口面积地形成在第二台板51a以及第一台板52a上。
[0048]  接着，参照图6，说明副压缩机构3的摆动涡盘的摆动运动所造成的端口封闭状况。图6是说明基于本发明的一个实施方式的涡旋流体机械的副压缩机构中的摆动涡盘的摆动运动所造成的端口封闭状况的图。图6的(a)表示由第一固定涡盘52的第一螺旋状齿52c和摆动涡盘53的上螺旋状齿53d形成的最内室的容积最小的时间。
[0049]  摆动涡盘53如图6所示，按照(a)→(b)→(c)→(d)→(a)，围绕第一固定涡盘52的中心以一定的旋转半径不自转地公转。然后，由第一螺旋状齿52c和上螺旋状齿53d形成的密闭空间因第一固定涡盘52以及摆动涡盘53的相对运动而产生容积变化，其容积减少。因此，从吸入端口39吸入的动作流体被连续地压缩，从排出端口40a、40b排出。在该摆动涡盘53的摆动运动中，如图6的(b)所示，存在一方的排出端口40a与摆动涡盘53的球根形状部53g干涉并被封闭的时刻。但是，另一方的排出端口40b未被封闭，而是开口。
[0050]  这样，排出端口40b以从第一螺旋状齿52c的外向面侧周壁面的渐开起点开始，沿第一螺旋状齿52c的卷绕开始端部的R状的周壁面向内向面侧移动约90度，且接近第一螺旋状齿52c的卷绕开始端部的R状的周壁面，在第一螺旋状槽52d的底面开口的方式形成。另外，排出端口40a以在从第一螺旋状齿52c的卷绕开始端部提前约90度渐开角的位置，且沿第一螺旋状齿52c的内向面侧周壁面在第一螺旋状槽52d的底面开口的方式形成。因此，即使排出端口40a与球根形状部53g干涉，其开口的一部分封闭，也能够避免排出端口40b和球根形状部53g的干涉，能够防止排出阻力造成的明显的损失的产生。
[0051]  另外，因为将排出端口40a形成为沿第一螺旋状齿52c的内向面侧周壁面的直线状的长圆形状的开口形状，将排出端口40b形成为大致圆形的开口形状，所以，能够一面减少与球根形状部53g干涉时的封闭量，一面增大全开时的开口面积。
[0052]  接着，参照图7，说明膨胀机构2的摆动涡盘的摆动运动所造成的端口封闭状况。图7是说明基于本发明的一个实施方式的涡旋流体机械的膨胀机构的摆动涡盘的摆动运动所造成的端口封闭状况的图。图7的(a)表示由第二固定涡盘51的第二螺旋状齿51c和摆动涡盘53的下螺旋状齿53c形成的最内室和第二室之间的密封点形成结束的时刻的时间。
[0053]  摆动涡盘53如图7所示，按照(a)→(b)→(c)→(d)→(a)，围绕第二固定涡盘51的中心以一定的旋转半径不自转地公转。然后，由第二螺旋状齿51c和下螺旋状齿53c形成的密闭空间因第二固定涡盘51以及摆动涡盘53的相对运动而产生容积变化，其容积增大。因此，从吸入端口35a、35b吸入的动作流体被连续地膨胀，向摆动涡盘53的外周空间排出，从膨胀排出管16向回路排出。如图7的(d)所示，在向成为第二室，即，膨胀过程开始前的最内室的吸入过程中，存在一方的吸入端口35a与摆动涡盘53的球根形状部53g干涉并被封闭的时间。但是，另一方的吸入端口35b为全开。
[0054]  这样，吸入端口35b以从第二螺旋状齿51c的外向面侧周壁面的渐开起点开始，沿第二螺旋状齿51c的卷绕开始端部的R状的周壁面向内向面侧移动约90度，且接近第二螺旋状齿51c的卷绕开始端部的R状的周壁面，在第二螺旋状槽51d的底面开口的方式形成。另外，吸入端口35a以在从第二螺旋状齿51c的卷绕开始端部提前约90度渐开角的位置，且沿第二螺旋状齿51c的内向面侧周壁面在第二螺旋状槽51d的底面开口的方式形成。因此，即使吸入端口35a与球根形状部53g干涉，其开口的一部分封闭，也能够避免吸入端口35b和球根形状部53g的干涉，不存在向膨胀机构2的吸入量在中途中断，或明显减少的情况。其结果为，能够预先避免断续的膨胀过程反复那样的事态。
[0055]  另外，因为将吸入端口35a形成为沿第二螺旋状齿51c的内向面侧周壁面的直线状的长圆形状的开口形状，将吸入端口35b形成为大致圆形的开口形状，所以，能够一面减少与球根形状部53g干涉时的封闭量，一面增大全开时的开口面积。
[0056]  这里，图8中，用实线表示了该涡旋流体机械的膨胀机构2中的吸入端口35a、35b开口面积相对于曲柄角的变动。另外，作为比较例，同样在图8中，点划线表示仅仅是吸入端口35a的开口面积。
[0057]  从图8中可知，在仅有吸入端口35a的情况下，存在由于与摆动涡盘53的球根形状部53g的干涉，吸入端口35a的开口面积减少到吸入端口35a的全开时的开口面积(100％开口面积)的1/4左右的时间。与此相对，可知在有两个吸入端口35a、35b的情况下，吸入端口35a、35b的总开口面积不小于吸入端口35a、35b的全开时的总开口面积(100％开口面积)的1/2。另外，因为形成两个吸入端口35a、35b，所以，全开时的100％开口面积也增大。因此，在膨胀机构2的吸入过程中，通过使吸入端口为两个端口，与一个端口的情况相比，能够总是进行有效的吸入过程。
[0058]  另外，在副压缩机构3的排出过程中，也能够通过将排出端口两端口化，得到同样的效果。
[0059]  这样，根据本发明，用于使动作流体出入的端口以在第一螺旋状齿以及第二螺旋状齿的各自的卷绕开始端部附近和从第一螺旋状齿以及第二螺旋状齿的各自的卷绕开始端部离开大致90度渐开角的位置的第一螺旋状齿以及该第二螺旋状齿的各自的内向面侧开口的方式，设置在第一台板以及第二台板上。因此，即使摆动涡盘的突起部与一方的端口干涉，将其开口封闭，另一方的端口也开口，端口的总开口面积的变动得到抑制。据此，能够到不存在因产生明显的压力损失造成的效率的降低、断续的膨胀过程的产生，效率高、可靠性高的涡旋流体机械。
[0060]  另外，虽然在上述实施方式中，作成将膨胀机构2构成在密封容器4内的下方，将副压缩机构3构成在密封容器4内的上方，但是，也可以作成将副压缩机构3构成在密封容器4内的下方，将膨胀机构2构成在密封容器4内的上方。
[0061]  另外，虽然在上述实施方式中，作为涡旋流体机械，对在单侧进行膨胀，在另一方进行压缩的两面涡旋式的压缩机一体型膨胀机进行了说明，但是，本发明也可以用于在两侧进行压缩的两面涡旋型压缩机，在两侧进行膨胀的两面涡旋型膨胀机等涡旋流体机械。
[0062]  另外，虽然在上述实施方式中，作成吸入端口35a以及排出端口40a的开口形状为直线状的长圆形状，但是，吸入端口35a以及排出端口40a的开口形状只要是长轴方向沿着第二螺旋状齿51c以及第一螺旋状齿52c的内向面侧周壁面的长圆形状即可，例如，也可以是椭圆形状，也可以是沿第二螺旋状齿51c以及第一螺旋状齿52c的内向面侧周壁面弯曲的长圆形状。


说明书附图：